Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия

Подождите немного. Документ загружается.

физической работе и других состояниях организма, требующих повы-

шенных энергозатрат, потребление триглицеридов жировой ткани как

энергетического резерва увеличивается.

Липолиз триглицеридов в жировой ткани *. В качестве источника энергии

могут использоваться только свободные, т.е. неэстерифицированные, жир-

ные кислоты. Поэтому триглицериды сначала гидролизуются при помощи

специфических тканевых ферментов – липаз – до глицерина и свободных

жирных кислот. Последние из жировых депо могут переходить в плазму

крови (мобилизация высших жирных кислот), после чего они используются

тканями и органами тела в качестве энергетического материала.

В жировой ткани содержится несколько липаз, из которых наибольшее

значение имеют триглицеридлипаза (так называемая гормоночувствитель-

ная липаза), диглицеридлипаза и моноглицеридлипаза. Активность двух

последних ферментов в 10–100 раз превышает активность первого. Три-

глицеридлипаза активируется рядом гормонов (например, адреналином,

норадреналином, глюкагоном и др.), тогда как диглицеридлипаза и мо-

ноглицеридлипаза не чувствительны к их действию. Триглицеридлипаза

является регуляторным ферментом.

Установлено, что гормоночувствительная липаза (триглицеридлипаза)

находится в жировой ткани в неактивной форме, и активация ее гормонами

протекает сложным каскадным путем, включающим участие по крайней

мере двух ферментативных систем. Процесс начинается со взаимодействия

гормона с клеточным рецептором, в результате чего модифицируется

структура рецептора (сам гормон в клетку не поступает) и такой рецептор

активирует аденилатциклазу (КФ 4.6.1.1). Последняя, как известно, ка-

тализирует образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) из

аденозинтрифосфата (АТФ):

Образовавшийся цАМФ активирует фермент протеинкиназу (КФ 2.7.1.37),

который путем фосфорилирования неактивной триглицеридлипазы пре-

вращает ее в активную форму (рис. 11.1). Активная триглицеридлипаза

расщепляет триглицерид на диглицерид и жирную кислоту. Затем при

действии ди- и моноглицеридлипаз образуются конечные продукты липо-

лиза – глицерин и свободные жирные кислоты, которые поступают в кровя-

ное русло.

Скорость липолиза триглицеридов не является постоянной, она под-

вержена регулирующему влиянию различных факторов, среди которых

особое значение имеют нейрогормональные (табл. 11.1).

Связанные с альбуминами плазмы крови в виде комплекса свободные

жирные кислоты с током крови попадают в органы и ткани, где комплекс

распадается, а жирные кислоты подвергаются либо β-окислению, либо

частично используются для синтеза триглицеридов, глицерофосфолипидов,

сфингофосфолипидов и других соединений, а также на эстерификацию

холестерина.

* В жировых клетках (адипоцитах), помимо активного липолиза триглицеридов, про-

текают и такие метаболические процессы, как гликолиз, окисление глюкозы через пенто-

зофосфатный путь, цикл трикарбоновых кислот, β-окисление жирных кислот, синтез жирных

кислот, реэстерификация последних (образование триглицеридов) и мобилизация (высво-

бождение) жирных кислот.

371

АТФ

Аденилатциклаза

цАМФ + РР

+ Н

Рис. 11.1. Липолитический каскад (по Стайнбергу).

ТГ - триглицериды; ДГ - диглицериды; МГ - моноглицериды; ГЛ - глицерин; ЖК - жирные кис-

лоты.

Таблица 11.1. Влияние некоторых факторов на липолиз григлицеридов в жировой

ткани [Климов А.Н., Никульчева Н.Г., 1995]

Фактор

Катехоламины

Глюкагон

Тироксин

Глюкокортикоиды

Гормон роста

АКТГ

Стресс

Физическая нагрузка

Голодание

Охлаждение

Инсулин

Простагландины

Никотиновая кислота

Характер

действия

Усиление

Угнетение

Предполагаемый механизм

действия

Активация аденилатциклазы

» »

Активация синтеза протеинкиназы

Активация синтеза аденилатциклазы

» » »

Повышение секреции катехоламинов

и снижение секреции инсулина

То же

» »

Активация фосфодиэстеразы (усиле-

ние гидролиза цАМФ), снижение

активности аденилатциклазы

Снижение активности аденилатцик-

лазы

То же

372

Гормон

Первичный

акцептор

Модифицированный

первичный

акцептор

Неактивная

аденилатциклаза

Активная

аденилатциклаза

АТФ

Циклич. 3',5'-АМФ

Неактивная

протеинкиназа

Активная

протеинкиназа

Неактивная

липаза

Активная

липаза

ТГ

ДГ + ЖК

МГ + ЖК

ГЛ + ЖК

ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Установлено, что окисление жирных кислот протекает в печени, почках,

скелетных и сердечной мышцах, в жировой ткани. В мозговой ткани

скорость окисления жирных кислот весьма незначительна; основным ис-

точником энергии в мозговой ткани служит глюкоза.

В 1904 г. Ф. Кнооп (F. Knoop) выдвинул гипотезу β-окисления жирных

кислот на основании опытов по скармливанию собакам различных жирных

кислот, в которых один атом водорода в концевой метильной группе

(ω-углеродного атома) был замещен радикалом (С

–).

Ф. Кнооп высказал предположение, что окисление молекулы жирной

кислоты в тканях организма происходит в β-положении. В результате от

молекулы жирной кислоты последовательно отщепляются двууглеродные

фрагменты со стороны карбоксильной группы.

Жирные кислоты, входящие в состав естественных жиров животных

и растений, имеют четное число углеродных атомов. Любая такая кислота,

от которой отщепляется по паре углеродных атомов, в конце концов

проходит через стадию масляной кислоты. После очередного β-окисления

масляная кислота становится ацетоуксусной. Последняя затем гидроли-

зуется до двух молекул уксусной кислоты. Теория β-окисления жирных

кислот, предложенная Ф. Кноопом, в значительной мере послужила ос-

новой современных представлений о механизме окисления жирных кислот.

Доставка жирных кислот к месту их окисления – к митохондриям –

происходит сложным путем: при участии альбумина осуществляется транс-

порт жирной кислоты в клетку; при участии специальных белков (fatty acid

binding proteins, FABP) – транспорт в пределах цитозоля; при участии

карнитина – транспорт жирной кислоты из цитозоля в митохондрии.

Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих ос-

новных этапов.

Активация жирных кислот. Свободная жирная кислота независимо от

длины углеводородной цепи является метаболически инертной и не может

подвергаться никаким биохимическим превращениям, в том числе окисле-

нию, пока не будет активирована. Активация жирной кислоты протекает на

наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, коэнзима

A (HS-KoA) и ионов Mg

. Реакция катализируется ферментом ацил-КоА-

синтетазой:

В результате реакции образуется ацил-КоА, являющийся активной

формой жирной кислоты.

Считают, что активация жирной кислоты протекает в 2 этапа. Сначала

жирная кислота реагирует с АТФ с образованием ациладенилата, представ-

ляющим собой эфир жирной кислоты и АМФ. Далее сульфгидрильная

группа КоА действует на прочно связанный с ферментом ациладенилат

с образованием ацил-КоА и АМФ.

Транспорт жирных кислот внутрь митохондрий. Коэнзимная форма

жирной кислоты, в равной мере как и свободные жирные кислоты, не

обладает способностью проникать внутрь митохондрий, где, собственно,

и протекает их окисление. Переносчиком активированных жирных кислот

373

R—COOH + HS-KoA + АТФ

Жирная кислота

Ацил-КоА-синтетаза

R—CO—S-KoA +

+ АМФ +

РР

с длинной цепью через внутреннюю митохондриальную мембрану служит

карнитин. Ацильная группа переносится с атома серы КоА на гидро-

ксильную группу карнитина с образованием ацилкарнитина, который

диффундирует через внутреннюю митохондриальную мембрану:

Реакция протекает при участии специфического цитоплазматического

фермента карнитин-ацилтрансферазы. Уже на той стороне мембраны,

которая обращена к матриксу, ацильная группа переносится обратно на

КоА, что термодинамически выгодно, поскольку О-ацильная связь в кар-

нитине обладает высоким потенциалом переноса группы. Иными словами,

после прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрий проис-

ходит обратная реакция – расщепление ацилкарнитина при участии HS-KoA

и митохондриальной карнитин-ацилтрансферазы:

Внутримитохондриальное окисление жирных кислот. Процесс окисления

жирной кислоты в митохондриях клетки включает несколько последо-

вательных энзиматических реакций.

Первая стадия дегидрирования. Ацил-КоА в митохондриях

прежде всего подвергается ферментативному дегидрированию, при этом

ацил-КоА теряет 2 атома водорода в α- и β-положениях, превращаясь

в КоА-эфир ненасыщенной кислоты. Таким образом, первой реакцией

в каждом цикле распада ацил-КоА является его окисление ацил-КоА-де-

гидрогеназой, приводящее к образованию еноил-КоА с двойной связью

между С-2 и С-3:

374

Ацил-КоА

Карнитин

Ацилкарнитин (в цитоплазме)

Ацилкарнитин (в митохондрии)

Ацил-КоА

Карнитин

Ацил-КоА

Ацил-КоА-дегидрогеназа

Еноил-КоА

R-CO-S-KoA

HS-KoA

R-CO-S-КоА

+ ФАД

+ ФАДН

Существует несколько ФАД-содержащих ацил-КоА-дегидрогеназ, каж-

дая из которых обладает специфичностью по отношению к ацил-КоА

с определенной длиной углеродной цепи.

Стадия гидратации. Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при

участии фермента еноил-КоА-гидратазы присоединяет молекулу воды.

В результате образуется β-оксиацил-КоА (или 3-гидроксиацил-КоА):

Заметим, что гидратация еноил-КоА стереоспецифична, подобно гид-

ратации фумарата и аконитата (см. с. 348). В результате гидратации

транс-Δ

-двойной связи образуется только L-изомер 3-гидроксиацил-КоА.

Вторая стадия дегидрирования. Образовавшийся β-оксиацил-КоА

(3-гидроксиацил-КоА) затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют

НАД

-зависимые дегидрогеназы:

Тиолазная реакция. В ходе предыдущих реакций происходило окис-

ление метиленовой группы при С-3 в оксогруппу. Тиолазная реакция

представляет собой расщепление 3-оксоацил-КоА с помощью тиоловой

группы второй молекулы КоА. В результате образуется укороченный на два

углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный фрагмент в виде ацетил-

КоА. Данная реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой (β-ке-

тотиолазой):

Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикар-

боновых кислот, а ацил-КоА, укоротившийся на два углеродных атома,

снова многократно проходит весь путь β-окисления вплоть до образования

бутирил-КоА (4-углеродное соединение), который в свою очередь окисля-

ется до 2 молекул ацетил-КоА (рис. 11.2). Например, при окислении

пальмитиновой кислоты (С

) повторяется 7 циклов β-окисления. Запом-

ним, что при окислении жирной кислоты, содержащей п углеродных

375

Еноил-КоА

Еноил-КоА-гидратаза

β-Оксиацил-КоА (3-гидроксиацил-КоА)

3-Гидроксиацил-КоА

3-Гидроксиацил-КоА-

дегидрогеназа

3-Оксоацил-КоА

НАД

β-Кетоацил-КоА (3-оксоацил-КоА)

HS-KoA

Ацетил-КоА-ацилтрансфераза

Ацил-КоА

Ацетил-КоА

+ НАДН + Н

+ СН

–СО–S-KoA

R–CH

–CO–S-KoA

Рис. 11.2. Окисление жирной кислоты («спираль Линена»). Подробно представлен

первый цикл окисления - укорочение цепи жирной кислоты на два углеродных

атома. Остальные циклы аналогичны первому (по А.Н. Климову и Н.Г. Никульче-

вой).

1 - ацил-КоА-дегидрогеназа (КФ 1.3.99.3); 2 - еноил-КоА-гидратаза (КФ 4.2.1.17.); 3 - β-гидро-

ксиацил-КоА-дегидрогеназа (КФ 1.1.1.35); 4 - тиолаза (КФ 2.3.1.9).

атомов, происходит n/2–1 цикл β-окисления (т.е. на один цикл меньше, чем

n/2, так как при окислении бутирил-КоА сразу происходит образование

2 молекул ацетил-КоА) и всего получится п/2 молекул ацетил-КоА. Сле-

довательно, суммарное уравнение β-окисления активированной кислоты

можно записать так:

Пальмитоил-КоА + 7ФАД + 7НАД

+ 7Н

O + 7HS-KoA –>

–> 8Ацетил-КоА + 7ФАДН

+ 7НАДН + 7Н

Баланс энергии. При каждом цикле β-окисления образуются одна

молекула ФАДН

и одна молекула НАДН. Последние в процессе окисления

в дыхательной цепи и сопряженного с ним фосфорилирования дают:

ФАДН

– 2 молекулы АТФ и НАДН – 3 молекулы АТФ, т.е. в сумме за один

цикл образуется 5 молекул АТФ. При окислении пальмитиновой кислоты

образуется 5 х 7 = 35 молекул АТФ. В процессе β-окисления пальмити-

новой кислоты образуется 8 молекул ацетил-КоА, каждая из которых,

«сгорая» в цикле трикарбоновых кислот, дает 12 молекул АТФ, а 8 молекул

ацетил-КоА дадут 12 х 8 = 96 молекул АТФ.

Таким образом, всего при полном β-окислении пальмитиновой кислоты

образуется 35 + 96 = 131 молекула АТФ. С учетом одной молекулы АТФ,

потраченной в самом начале на образование активной формы пальми-

тиновой кислоты (пальмитоил-КоА), общий энергетический выход при

полном окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты в условиях

животного организма составит 131 – 1 = 130 молекул АТФ. Изменение

свободной энергии ΔF при полном сгорании 1 моля пальмитиновой

376

ЖК с длинной

цепью

+ АТФ

АМФ + PP

+ КоА

Ацил-КоА

Ацетил-КоА

КоА

β-Кетоацил-КоА

НАДН+Н

НАД

Ацил-КоА,

укороченный на С

ФАД

ФАДН

α,β-Ненасыщен-

ный ацил-КоА

β-Гидроксиацил-КоА

кислоты составляет 2338 ккал, а богатая энергией фосфатная связь АТФ

характеризуется величиной 7,6 ккал/моль. Нетрудно подсчитать, что при-

мерно 990 ккал (7,6 х 130), или 42% от всей потенциальной энергии

пальмитиновой кислоты при ее окислении в организме, используется для

ресинтеза АТФ, а оставшаяся часть, очевидно, теряется в виде тепла.

Следовательно, эффективность накопления энергии в результате окис-

ления жирных кислот при стандартных условиях составляет ~ 40%, что

близко к соответствующей величине для гликолиза, цикла трикарбоновых

кислот и окислительного фосфорилирования.

Окисление ненасыщенных жирных кислот

Окисление ненасыщенных жирных кислот в принципе происходит так же,

как и окисление насыщенных жирных кислот, но с некоторыми особен-

ностями. Двойные связи природных ненасыщенных жирных кислот (олеи-

новой, линолевой и т.д.) имеют цис-конфигурацию, а в КоА-эфирах

ненасыщенных кислот, являющихся промежуточными продуктами при

β-окислении насыщенных жирных кислот, двойные связи имеют транс-

конфигурацию. Кроме того, последовательное удаление двууглеродных

фрагментов при окислении ненасыщенных жирных кислот до первой двой-

ной связи дает Δ

3,4

-ацил-КоА, а не Δ

2,3

-ацил-КоА, который является

промежуточным продуктом при β-окислении ненасыщенных жирных кис-

лот:

В тканях существует фермент, который осуществляет перемещение

двойной связи из положения 3–4 в положение 2–3, а также изменяет

конфигурацию двойной связи из цис- в транс-положение. Этот фермент

получил название

3,4

-цис

–>

2,3

-транс-еноил-КоА-изомеразы.

На

рис.

11.3 представлен путь β-окисления олеиновой кислоты, иллюстрирующий

назначение данного фермента *.

Окисление жирных кислот с нечетным числом

углеродных атомов

Как отмечалось, основная масса природных липидов содержит жирные

кислоты с четным числом углеродных атомов. Однако в липидах многих

растений и некоторых морских организмов присутствуют жирные кислоты

с нечетным числом атомов углерода. Кроме того, у жвачных животных при

переваривании углеводов в рубце образуется большое количество про-

пионовой кислоты, которая содержит три углеродных атома. Пропионат

всасывается в кровь и окисляется в печени и других тканях. Установлено,

что жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов окисляются

* При β-окислении жирных кислот, имеющих две и более ненасыщенные связи, требуется

еще один дополнительный фермент - 3-гидроксиацил-КоА-эпимераза.

377

Рис. 11.3. Этапы β-окисле-

ния олеиновой кислоты.

таким же образом, как и жирные кислоты с четным числом углеродных

атомов, с той лишь разницей, что на последнем этапе расщепления

(β-окисления) образуется одна молекула пропионил-КоА и одна молекула

ацетил-КоА, а не 2 молекулы ацетил-КоА.

Активированный трехуглеродный фрагмент – пропионил-КоА – включа-

ется в цикл трикарбоновых кислот после превращения в сукцинил-КоА.

378

Олеиновая кислота

+ АТФ + HS-KoA

Олеиноил-КоА

+ АМФ + РР

β-Окисление

3,4

-цис-Еноил-КоА

3,4

-цис-Δ

2,3

-транс-Еноил-КоА-

изомераза

2,3

-транс-Еноил-КоА

β-Окисление

6СН

–СО–S-КоА

Ацетил-КоА

Пропионил-КоА

АТФ

АМФ

РР

Пропионил-КоА-карбоксилаза

D-метилмалонил-КоА

Метилмалонил-

эпимераза

Метилмалонил-КоА-мутаза

Сукцинил-КоА

L-метилмалонил-КоА

МЕТАБОЛИЗМ КЕТОНОВЫХ ТЕЛ

Под термином «кетоновые (ацетоновые) тела» подразумевают ацетоук-

сусную кислоту (ацетоацетат) СН

СОСН

СООН, β-оксимасляную кислоту

(β-оксибутират, или D-3-гидроксибутират) СН

СНОНСН

СООН и ацетон

СН

СОСН

В здоровом организме ацетон в крови присутствует в крайне низких

концентрациях, образуется в результате спонтанного декарбоксилирования

ацетоацетата и, по-видимому, не имеет определенного физиологического

значения.

Кетоновые тела образуются в печени. Прежние представления о том, что

кетоновые тела являются промежуточными продуктами β-окисления жир-

ных кислот, оказались ошибочными.

Во-первых, в обычных условиях промежуточными продуктами β-окис-

ления жирных кислот являются КоА-эфиры этих кислот, например β-окси-

бутирил-КоА, ацетоацетил-КоА.

Во-вторых, β-оксибутирил-КоА, образующийся в печени при β-окисле-

нии жирных кислот, имеет L-конфигурацию, в то время как β-оксибутират,

обнаруживаемый в крови, представляет собой D-изомер. Именно β-окси-

бутират D-конфигурации образуется в ходе метаболического пути синтеза

β-окси-β-метилглутарил-КоА (3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА):

379

Ацетил-КоА

Ацетил-КоА-

ацетил-транс-

фераза (3-ке-

тотиолаза)

HS-КoA

–CO–CH

–CO–S-КoA

Ацетоацетил-КоА

Гидроксиметилглу

тарил-КоА-синте-

таза

СН

СО–S-KoA

HS-КoA

β-Окси-β-метилглутарил-КоА

(3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА)

Гидроксиметилглу-

тарил-КоА-лиаза

СН

–СО–S-КoA

СН

–СО–СН

–СООН

Ацетоацетат

Гидроксибутират-

дегидрогеназа

СН

–СО–СН

Ацетон

НАДН + Н

НАД

СН

–СНОН–СН

–СООН

β-Оксибутират (D-3-гидроксибутират)

На первом этапе из 2 молекул ацетил-КоА образуется ацетоацетил-КоА.

Реакция катализируется ферментом ацетил-КоА-ацетилтрансферазой (3-ке-

тотиолазой). Затем ацетоацетил-КоА взаимодействует еще с одной моле-

кулой ацетил-КоА. Реакция протекает под влиянием фермента гидро-

ксиметилглутарил-КоА-синтетазы. Образовавшийся β-окси-β-метилглута-

рил-КоА способен под действием гидроксиметилглутарил-КоА-лиазы

расщепляться на ацетоацетат и ацетил-КоА.

Ацетоацетат восстанавливается при участии НАД-зависимой D-3-гид-

роксибутиратдегидрогеназы, при этом образуется D-β-оксимасляная кис-

лота (D-3-гидроксибутират). Следует подчеркнуть, что фермент специфичен

по отношению к D-стереоизомеру и не действует на КоА-эфиры.

Существует второй путь синтеза кетоновых тел. Образовавшийся путем

конденсации 2 молекул ацетил-КоА ацетоацетил-КоА способен отщеплять

коэнзим А и превращаться в ацетоацетат. Этот процесс катализируется

ферментом ацетоацетил-КоА-гидролазой (деацилазой):

—CO—CH

—CO—S-KoA + Н

О –> СН

—СО—СН

—СООН + HS-KoA

Однако второй путь образования ацетоуксусной кислоты (ацетоацетата)

не имеет существенного значения, так как активность деацилазы в печени

низкая.

В настоящее время ясна молекулярная основа изречения, что «жиры

сгорают в пламени углеводов». Известно, что ацетил-КоА, образовавшийся

при окислении жирных кислот, включается в цикл трикарбоновых кислот

в условиях, когда расщепление жиров и углеводов соответствующим

образом сбалансировано. Включение ацетил-КоА в цикл Кребса зависит от

доступности оксалоацетата для образования цитрата. Однако если рас-

щепление жиров преобладает, судьба ацетил-КоА изменяется. Объясняется

это тем, что в отсутствие углеводов или при нарушении их использования

концентрация оксалоацетата снижается. При голодании или диабете окса-

лоацетат расходуется на образование глюкозы и поэтому не может кон-

денсироваться с ацетил-КоА. В таких условиях путь метаболизма аце-

тил-КоА отклоняется в сторону образования ацетоацетата и D-3-гидрокси-

бутирата, т.е. кетоновых тел.

В крови здорового человека кетоновые тела содержатся лишь в очень

небольших концентрациях (в сыворотке крови 0,03–0,2 ммоль/л).

При патологических состояниях (у лиц с тяжелой формой сахарного

диабета, при голодании, а также у животных с экспериментальным острым

стрептозотоциновым или аллоксановым диабетом) концентрация кетоно-

вых тел в сыворотке крови увеличивается и может достигать 16–20

ммоль/л.

Следует подчеркнуть важную роль кетоновых тел в поддержании энер-

гетического баланса. Кетоновые тела – поставщики «топлива» для мышц,

почек и действуют, возможно, как часть регуляторного механизма с обрат-

ной связью, предотвращая чрезвычайную мобилизацию жирных кислот из

жировых депо. Печень в этом смысле является исключением, она не

использует кетоновые тела в качестве энергетического материала.

Как отмечалось, основным местом образования ацетоацетата и 3-гид-

роксибутирата служит печень. Из митохондрий печени эти соединения

диффундируют в кровь и переносятся к периферическим тканям.

Действительно, сердечная мышца и корковый слой почек предпочти-

тельно используют в качестве «топлива» ацетоацетат, а не глюкозу.

380

Ацетоацетил-КоА Ацетоацетат